SiC/GaN功率半导体封装和可靠性评估技术

本书重点介绍全球功率半导体行业发展潮流中的宽禁带功率半导体封装的基本原理和器件可靠性评价技术。书中以封装为核心，由熟悉各个领域前沿的专家详细解释当前的状况和问题。主要章节为宽禁带功率半导体的现状和封装、模块结构和可靠性问题、引线键合技术、芯片贴装技术、模塑树脂技术、绝缘基板技术、冷却散热技术、可靠性评估和检查技术等。尽管极端环境中的材料退化机制尚未明晰，书中还是总结设计了新的封装材料和结构设计，以尽量阐明未来的发展方向。本书对于我国宽禁带（国内也称为第三代）半导体产业的发展有积极意义，适合相关的器件设计、工艺设备、应用、产业规划和投资领域人士阅读。

何钧

现任职于重庆伟特森电子科技有限公司，1995年毕业于北京大学物理系，曾于Charactered Semiconductor（后归属于Global Foundries）, Hewlett Packard, Global Communication Semiconductor, Semisouth Lab.，北京泰科天润等企业多年从事硅集成电路、MEMS(喷墨打印头芯片)、砷化镓和氮化镓射频、磷化铟光电、碳化硅功率等化合物半导体器件的工艺制造以及工艺和设计研发工作。

许恒宇

博士，现任职于中国科学院微电子研究所，中国科学院大学研究生导师。2006年毕业于四川大学，同年留学日本，先后于日本的德岛大学、大阪大学和新日本无线株式会社开展碳化硅等宽禁带半导体器件研究。一直以来，主要从事碳化硅器件的仿真设计、工艺研发整合和可靠性失效机理分析等领域的工作。2011年归国后，致力于碳化硅器件在面向光伏逆变器、新能源汽车和智能电网应用领域提供技术服务和产品。

原 书 前 言

原书前言经过功率半导体的长期发展，硅产品已经开始显现其应用的局限性。随着硅器件技术的不断改进，其功率转换损耗的降低已经接近极限，而小型化、更高频率和更高功率的趋势，使得其性能很难进一步提高。另一方面，全球电力设备的数量还在不断增加，日本约有1亿台电动机正在运行中，其所需功率约占日本总功率消耗的60％。如果能够降低功率半导体的能耗，就可以节省巨量的能源并减少CO2排放。此外，在从发电厂传输到各个家庭的多次转换中有大约60％的电力损耗。另外，由于物联网引起的信息网络的流量直线上升，终端设备以及包括通信基站之类的基础设施设备也造成巨大的能量损耗，在发达国家和发展中国家都是如此。解决此类全球能源问题的一个实际解决方案是广泛使用功率半导体，以及用宽禁带功率半导体来替代硅。全球功率半导体市场巨大，年增长率接近10％，在日本，预计该产业将持续稳定增长。幸运的是，功率半导体是需要“磨合”集成各个技术的“模拟半导体”类型的技术。它不可能像半导体存储器之类的成熟产业一样，可以在世界任何地方通过购买昂贵的设备实现数字化生产。同时，今天的日本电子和电气工业在世界前列，拥有该领域需要的制造体系、材料和工艺，在今后很长时间内都可以保持较为先进的技术。另一方面，关注这一技术领域的国家并不只有日本。美国和欧洲也都已启动了大规模的碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽禁带功率半导体项目，作为节能技术王牌。随着晶圆制造工艺的不断完善，以及扩大实际生产的强烈愿望，人们对耐热封装技术产生了前所未有的兴趣。毋庸置疑，封装是电子器件制造的最后挑战。在功率半导体的封装中，除了充分实现器件的性能外，还必须进行设计以实现其他领域未有的器件安全与可靠性。对于碳化硅和氮化镓器件的封装，需要一种可承受250~300℃的热冲击的高度可靠的无铅芯片贴装技术，以及一种新的能够承受大电流和热耗散并抑制高频传输损耗的新的引线技术。能够有机会提笔撰写本书，重点介绍全球功率半导体行业发展潮流中的宽禁带功率半导体封装的基本原理和可靠性，所有作者都深感荣幸。本书以封装为核心，由熟悉各个领域前沿的专家详细解释当前的状况和问题。主要章节为宽禁带功率半导体的现状和封装、模块结构和可靠性问题、引线键合技术，芯片贴装技术、模塑树脂技术、绝缘基板技术、冷却散热技术、可靠性评估和检查技术等。尽管极端环境中的材料退化机制尚未明晰，但我们还是总结了新的封装材料和结构设计，以尽量阐明未来的发展方向。顺便指出，尽管封装还包括电感和缓冲电容器等无源组件以及抵抗EMI（电磁干扰）对策，但我们并未涉及这方面的内容，而是期待有关最新技术的更多信息积累。最后但并非最不重要的一点是，日刊工业新闻的辻一郎先生提供机会，使作者得以在非常恰当的时机编写本书，并且耐心地等待写作完成，我和所有作者在此深表谢意。对于试图从制造上提高功率半导体的可靠性或面临新挑战的技术人员，或在宽禁带功率半导体研究机构工作的工程师和研究人员，如果通过阅读本书能有所裨益，所有作者都将深感欣慰。

菅沼克昭

大阪大学产业科学研究所

序

序宽禁带半导体是近年来飞速发展的一个重要新兴领域，日本的产学研界同仁做出了很多先导性的研发投入。本书总结了日本产学研界在相关领域近年来的一些技术积累，并且在许多具体的环节和方面，对未来的发展做出展望。我国也在投入大量资源，迅速赶超和接近世界先进水平。但是在SiC/GaN封装方面，起步较晚，还有一定差距。我认为本书的译介对于我国宽禁带（国内也称为第三代）半导体产业的发展有积极意义，适合相关的器件设计、工艺设备、应用、产业规划和投资领域人士阅读。前三章并不直接涉及具体的封装技术，而是介绍器件的基本知识，其深度足够满足器件设计和工艺人员的技术需要。本书没有涉及一些和瞬态（雪崩、浪涌）过程以及高频寄生参数（寄生电感、电容）有关的可靠性问题。一般认为（广义）封装对这些电特性的影响，不如对本书讨论的其他可靠性的影响大，但是仍然是不可忽视的，也是一些研究的重点，我们希望以后能看到相关的专著出版。关于宽禁带半导体的发展及其在新能源产业中的意义，本书的读者一般都有了解，书中也多有介绍，这里不再赘述。我们希望在此书向读者着重强调的想法是，目前的宽禁带功率半导体技术及其产业，还处于其发展的初期，主要还只能借用硅和砷化镓等半导体在长期产业发展过程中定型的各种材料、工艺和设备，在很大程度上限制了产品设计空间，远远未能发挥其基本材料固有的优越性。产业技术和市场的发展是相辅相成的，最初投入市场的初期产品，带来一定的销售收入与积极的市场期待，会转换为技术研发投入，改进和完善对器件性能限制最严重的设备、工艺、材料，以期获得性能的进步和市场优势。对于强调高温、高压、高频、高电流密度的宽禁带功率半导体器件而言，（广义）封装无疑就处于并且将一直处于这样一个瓶颈位置。和某些典型数字集成电路器件相比，功率半导体器件更强调可靠性、定制性，应用市场相对小而保守，因此不太容易复制某些数字集成电路产业中的出现过的那种在技术相对成熟之后的某个节点，依靠庞大资本投入采购昂贵的高效工艺设备，以单位成本优势后来居上的模式。相反，依靠持续的、适度的前沿和应用研发投入，比较可能获得和保持市场优势地位。在宽禁带半导体功率器件封装技术达到目前硅功率器件的成熟度之前，这种不断的技术研发，可望延续一整代技术人员的职业生涯的时间跨度。这种“技术胜过资本”的特征，也是本书的原作者在前言和后记中一再强调的，以期能够引起饱受韩国竞争冲击的日本半导体业者的重视。本书的译介，无疑有利于借鉴日本的技术积累，对于中国第三代封装方向的发展很有意义。希望在不久的将来，随着我国相关产业的发展，也能看到关于我国技术人员在这方面的积累和总结的技术专著。

叶甜春

研究员、博士生导师

中国科学院大学微电子学院院长

目录

序

原书前言

作者名单

第1章绪言

1.1电力变换和功率半导体

1.2功率半导体封装及可靠性问题

参考文献

第2章宽禁带半导体功率器件的现状与封装

2.1电力电子学的概念

2.2宽禁带半导体的特性和功率器件

2.3功率器件的性能指数

2.4其他宽禁带半导体功率器件的现状

2.5宽禁带半导体封装技术的挑战

参考文献

第3章SiC/GaN功率半导体的发展

3.1SiC和GaN功率器件的概念

3.2SiC器件的特征（低导通电阻、高温、高速运行）

3.3SiC肖特基势垒二极管

3.4SiC晶体管

3.5SiC模块

3.6GaN功率器件的特征

3.7GaN功率器件的特性

3.8GaN功率器件的应用

参考文献

第4章引线键合技术

4.1引线键合技术的概念

4.2引线键合的种类

4.2.1引线键合方法

4.2.2键合机制

4.3引线键合处的可靠性

4.3.1功率模块疲劳破坏

4.3.2键合处的破坏现象

4.3.3键合处的裂纹扩展

4.3.4影响接头破坏的因素

4.4键合线材料

4.4.1铝合金线

4.4.2铜键合线

4.4.3银和镍材料作为键合线的适用性评估

4.4.4包层引线

4.5替代引线键合的其他连接技术

4.5.1铝带连接4.5.2引线框焊接

4.6结论

参考文献

第5章芯片贴装技术

5.1芯片贴装

5.2无铅高温焊料

5.3TLP键合

5.4金属烧结键合

5.5固相键合和应力迁移键合

5.6空洞

5.7未来展望

参考文献

第6章模塑树脂技术

6.1半导体封装的概念

6.2功率模块结构和适用材料

6.2.1壳装型功率模块

6.2.2模塑型

6.2.3功率模块封装的演变

6.3密封材料的特性要求

6.3.1绝缘性

6.3.2低热应力

6.3.3黏附性

6.3.4抗氧化性

6.3.5高散热

6.3.6流动性和成型性

6.3.7耐湿性和可靠性测试

6.4高耐热技术的发展现状

6.4.1高耐热硅酮树脂

6.4.2高耐热环氧树脂

6.4.3热固性酰亚胺树脂

6.4.4高耐热纳米复合材料

参考文献

第7章基板技术

7.1功率模块的演变和适用基板

7.2基板概要

7.2.1基板种类和分类

7.2.2陶瓷基板

7.2.3金属基底基板

7.3散热板/金属陶瓷复合材料

7.4SiC/GaN功率半导体基板的特性要求

7.5未来基板技术趋势

参考文献

第8章散热技术

8.1散热（冷却）技术的概念

8.2SiC/GaN功率半导体的特性以及与其散热相关的问题

8.2.1高温工况的应对方法

8.2.2针对发热密度增加的应对方法

8.3电气和电子设备的散热技术基础

8.4功率半导体散热应考虑的要求

8.5下一代功率半导体的散热理念

8.6有望应用于宽禁带半导体的散热技术

8.6.1导热路径的进步：直冷式冷却器

8.6.2散热结构的进步：双面散热模型

8.6.3热传导的进步：液体冷却用高性能翅片

8.7导热界面材料

8.7.1导热界面材料的概念

8.7.2下一代半导体的导热界面材料

8.7.3TIM所需的特性和问题

8.7.4高热导率填料系统

8.8实现高温工况

参考文献

第9章可靠性评估/检查技术

9.1功率半导体可靠性试验

9.2典型环境试验

9.2.1存储试验（高温低温）

9.2.2存储试验（高温高湿）

9.2.3温度循环试验

9.2.4高温工作寿命试验（高温反偏试验）

9.2.5高温高湿反偏寿命试验

9.3其他环境试验

9.3.1低压试验

9.3.2盐雾试验

9.3.3加湿+封装应力系列试验

9.4功率循环试验

9.4.1功率循环试验的种类

9.4.2功率循环试验的加载方式

9.4.3热阻

9.4.4试验装置所需的性能规格

9.5功率器件可靠性试验的检查方法

9.5.1X射线透射分析

9.5.2超声成像系统

9.5.3横截面观察

9.5.4锁相红外热分析

9.6材料热阻的评估

9.6.1包括界面热阻的导热特性（有效热导率）

9.6.2热特性评估系统的配置和测量原理

9.6.3热性能测量示例

9.7小结参考文献

第10章编后记

参考文献